朱雅男，王茁，閆瑾，許揚

(中國第一汽車集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130011)

0 引言

驅(qū)動橋中齒輪油在運行中，不可避免地與齒輪傳動系統(tǒng)的金屬部件接觸，因此油中經(jīng)常含有銅、鐵等元素。銅元素在齒輪油的熱氧化過程中有重要影響，廖瑞金等[1]學(xué)者指出銅元素的存在使油品的氧化安定性下降，銅元素對潤滑油的氧化具有促進(jìn)作用；張俊彥等[2]學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)過渡金屬鹽類，特別是銅元素能夠抑制潤滑油的氧化。

銅元素作為驅(qū)動橋主要磨損元素之一，定期分析試驗油中銅元素是監(jiān)控油品的抗磨損性能和在行駛過程中零部件的磨損情況，銅元素含量主要來源為齒輪傳動系統(tǒng)的齒輪摩擦副和軸承等主要磨損件。道路試驗發(fā)現(xiàn)某型商用車驅(qū)動橋齒輪油中銅元素含量接近1000 mg/kg，該齒輪油過濾得到一些雜質(zhì)，雜質(zhì)通過金相顯微鏡及能譜檢測其含有Fe和Cu的金屬顆粒存在于試驗油中，金屬顆粒的粒徑尺寸約為5～100 μm。驅(qū)動橋中的含銅零部件與齒輪油中的銅緩蝕劑[3]、含硫添加劑[4]、酸類氧化產(chǎn)物[5]等物質(zhì)作用，使銅元素進(jìn)入齒輪油中。本文針對銅元素對潤滑油存在促進(jìn)氧化和抑制氧化兩方面的作用，通過一系列試驗，研究銅元素對該型商用車驅(qū)動橋使用的齒輪油熱氧化安定性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及材料

試驗儀器：BF-58型熱處理油熱氧化安定性測定器、MS304S型電子天平(精密度0.0001 g)、OPTIMA 5300DV型電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀、TSY-1109A型石油產(chǎn)品運動黏度測定儀、PAL型全自動紅外燃油稀釋量測定儀、916型全自動石油產(chǎn)品酸值測定儀(電位滴定法)、JW-1032型常溫低速離心機、101A-2E型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

試驗材料：該型商用車驅(qū)動橋使用的齒輪油(下文稱試驗油)、粒徑尺寸約為38 μm的CuPb10Sn10(下文稱銅合金顆粒)、環(huán)烷酸銅(Ⅱ)。

1.2 試驗方法

參照SH/T 0219-1992(2004)標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行齒輪油熱氧化安定性試驗；試驗溫度為(150±1)℃；空氣流量為(85±5)mL/min。

2 試驗過程及試驗結(jié)果分析

通過模擬試驗油中含有不同含量銅合金顆粒，考察不同銅合金顆粒含量對齒輪油熱氧化安定性的影響；模擬齒輪油中銅元素含量達(dá)到道路試驗試驗油銅元素含量的最大數(shù)值，考察不同銅元素含量對齒輪油熱氧化安定性的影響。

熱氧化安定性試驗的試驗溫度參照評定車輛齒輪油的CRC臺架試驗(L-33-1銹蝕性臺架試驗，L-37承載能力臺架試驗，L-42抗擦傷臺架試驗，L-60-1熱氧化安定性臺架試驗)規(guī)定的齒輪油的試驗溫度，試驗溫度設(shè)定為(150±1)℃。熱氧化安定性試驗的空氣流量參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0219-1999(2004)、模仿驅(qū)動橋通氣塞長時間累積的通氣量、氧氣加速試驗油氧化縮短試驗時間、空氣攪拌等因素，通過不同空氣流量對試驗結(jié)果影響的摸索，空氣流量設(shè)定為(85±5)mL/min。驅(qū)動橋中的含銅零部件材質(zhì)為CuPb10Sn10，在嚙合過程中，磨損作用使銅合金顆粒進(jìn)入試驗油中，銅合金顆粒的粒徑尺寸約為5～100 μm，向試驗油中加入粒徑尺寸約為38 μm的CuPb10Sn10模擬齒輪油中銅合金顆粒。試驗油與含銅零部件反應(yīng)，生成金屬銅皂，金屬銅皂包括環(huán)烷酸銅[2]等，向試驗油中加入環(huán)烷酸銅(Ⅱ)使試驗油中的銅元素含量達(dá)到道路試驗試驗油銅元素含量的最大數(shù)值。

2.1 銅合金顆粒含量對齒輪油熱氧化安定性的影響

將不同質(zhì)量的銅合金顆粒加入試驗油中，制得一系列試驗樣品，進(jìn)行熱氧化安定性試驗，每隔一定時間抽取油樣，分析試驗油100 ℃運動黏度、酸值、氧化值、Cu元素含量以及試驗前后試驗油的正戊烷不溶物，考察不同銅合金顆粒含量對試驗油熱氧化安定性的影響，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 試驗油理化性能指標(biāo)隨時間的變化(不同銅合金顆粒含量試驗)

圖2 試驗油正戊烷不溶物增加值(不同銅合金顆粒含量試驗)

2.1.1 100 ℃運動黏度

100 ℃運動黏度的變化反映了油品氧化衰變程度、熱分解程度以及黏度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑等的變化情況。氧化管方法的熱氧化安定性試驗沒有雙曲線齒輪摩擦副的苛刻剪切，因此不存在油品大分子、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑等被剪切導(dǎo)致100 ℃運動黏度下降的因素。從圖1(a)可以看出，同一個試驗油，隨著試驗時間的延長，100 ℃運動黏度持續(xù)增長，并且隨著試驗時間的延長增長速率變大，該現(xiàn)象說明由于基礎(chǔ)油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組分氧化后生成油泥，隨著時間的延長，重組分生成速度加快并且聚集，這與后面分析得到的酸值增加值、氧化值的現(xiàn)象相互印證。不同銅合金顆粒含量的試驗油，在相同的試驗時間，100 ℃運動黏度由大到小的順序基本符合0.0 %(銅顆粒含量)>0.1%>0.3%>0.5%>0.7%>1.0%，該現(xiàn)象說明銅元素含量在0～250 mg/kg(見圖1(d))的范圍內(nèi)，試驗溫度為(150±1)℃，空氣流量為(85±5)mL/min，銅元素在試驗油中抑制氧化作用，并且隨著銅元素含量的增加抑制氧化作用增強，這與后面分析得到的酸值增加值、氧化值的現(xiàn)象相互印證。

2.1.2 酸值增加值

酸值的變化反映了基礎(chǔ)油氧化衰變和有關(guān)酸性添加劑消耗降解狀況。氧化管方法的熱氧化安定性試驗除了加入的銅顆粒，沒有其他的金屬元件，因此不存在酸性極壓抗磨劑消耗的因素。從圖1(b)可以看出，同一個試驗油，隨著試驗時間的延長，酸值持續(xù)增長，該現(xiàn)象說明基礎(chǔ)油在使用過程中由于高溫?zé)嶙饔枚饾u氧化，產(chǎn)生有機酸，使酸值增加。不同銅合金顆粒含量的試驗油，在相同的試驗時間，酸值增加值由大到小的順序基本符合0.0%(銅顆粒含量)>0.1%>0.3%>0.5%>0.7%>1.0%，該現(xiàn)象與分析得到的100 ℃運動黏度的現(xiàn)象相互印證。

2.1.3 氧化值增加值

2.1.4 銅元素含量

銅元素含量的變化反映的是齒輪油在使用過程中銅元素進(jìn)入齒輪油的程度。從圖1(d)可以看出，同一個試驗油，隨著試驗時間的延長，銅元素含量持續(xù)增長，該現(xiàn)象說明車輛齒輪油在使用過程中生成的酸類氧化產(chǎn)物以及銅緩蝕劑、含硫添加劑等物質(zhì)對驅(qū)動橋中的含銅零部件造成腐蝕與銹蝕；銅元素含量隨著試驗時間的延長，增長速率變大，該現(xiàn)象與前面分析得到的氧化值的現(xiàn)象相互印證。不同銅合金顆粒含量的試驗油，在相同的試驗時間，隨著銅合金顆粒含量的遞增，銅元素含量是遞增的，該現(xiàn)象說明銅合金顆粒增加了銅合金零部件在試驗油的表面積，導(dǎo)致更多的銅元素進(jìn)入試驗油中。

2.1.5 正戊烷不溶物

正戊烷不溶物主要反映了油品氧化衰變的程度，同時也反映了非油溶性固體污染(如塵土、砂礫)以及異常磨損、正常磨損顆粒的數(shù)量。氧化管方法的熱氧化安定性試驗是在密封條件下進(jìn)行的，后者影響很小。從圖2可以看出，不同銅合金顆粒含量試驗油的正戊烷不溶物增加值基本相同，該現(xiàn)象說明依據(jù)正戊烷不溶物反映的油品氧化衰變程度，不同銅合金顆粒含量試驗油的抗氧化性能相同。

2.2 銅元素含量對齒輪油熱氧化安定性的影響

道路試驗驅(qū)動橋齒輪油中銅元素含量達(dá)到約1000 mg/kg，而通過向試驗油中加入1.0%的銅合金顆粒，試驗油的銅元素含量僅達(dá)到250 mg/kg左右。而在實際道路試驗過程中，試驗油中銅合金顆粒的含量小于1.0%，加入銅合金顆粒無法模擬銅元素含量上限1000 mg/kg對試驗油的影響。向試驗油中加入油溶性的環(huán)烷酸銅(Ⅱ)使試驗油中的銅元素含量達(dá)到道路試驗試驗油銅元素含量的最大數(shù)值。

將不同質(zhì)量的環(huán)烷酸銅(Ⅱ)加入試驗油中，制得一系列的試驗樣品，進(jìn)行熱氧化安定性試驗，每隔一定時間抽取油樣，分析試驗油中100 ℃運動黏度、酸值、氧化值以及試驗后試驗油的正戊烷不溶物，考察不同銅元素含量對試驗油熱氧化安定性的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 試驗油理化性能指標(biāo)隨時間的變化(不同銅元素含量試驗)

圖4 試驗油正戊烷不溶物增加值(不同銅元素含量試驗)

通過圖3、圖4中分析數(shù)據(jù)可以看出：不同銅合金顆粒含量的試驗油，在相同的試驗時間，100 ℃運動黏度、酸值增加值和氧化值增加值由大到小的順序基本符合0 mg/kg(銅元素含量)>100 mg/kg>300 mg/kg>600 mg/kg>1000 mg/kg，該現(xiàn)象與向試驗油中添加銅合金顆粒的試驗結(jié)論一致，說明銅元素含量在0～1000 mg/kg的范圍內(nèi)，試驗溫度為(150±1)℃，空氣流量為(85±5)mL/min，銅元素在試驗油中抑制氧化作用，并且隨著銅元素含量的增加抑制氧化作用增強；銅元素含量在0～1000 mg/kg的范圍內(nèi)，試驗溫度為(150±1)℃，空氣流量為(85±5)mL/min，依據(jù)正戊烷不溶物反映的油品氧化衰變程度，不同銅元素含量的試驗油的抗氧化性能相同。

有機銅鹽抗氧劑已經(jīng)應(yīng)用多年，有機銅鹽抗氧劑可抑制潤滑油的氧化，作用機理如下：

Cu1++RO·→Cu2++RO-

Cu1+失去一個電子，使過氧化自由基RO·生成負(fù)離子RO-而減緩了自由基的鏈增長反應(yīng)，具有終止自由基的功能。Cu1+和Cu2+通過氧化、還原反應(yīng)及捕集自由基的反應(yīng)能夠連續(xù)再生，使其具有抗氧化活性[2]。含銅零部件與試驗油反應(yīng)生成的金屬銅皂，其在試驗油中抑制氧化作用的作用機理與有機銅鹽抗氧劑是否一致，是后續(xù)工作的重點。

3 結(jié)論

(1)試驗油中的銅元素含量在0～1000 mg/kg的范圍內(nèi)，試驗溫度為(150±1)℃，空氣流量為(85±5)mL/min，依據(jù)100 ℃運動黏度、酸值增加值、氧化值的表征，銅元素在試驗油中抑制氧化作用，隨著銅元素含量的增加抑制氧化作用增強。臺架試驗和道路試驗實際使用過程中，潤滑油實際使用環(huán)境與本試驗條件不同，銅元素對試驗油熱氧化安定性的影響存在相反結(jié)果的可能。

(2)試驗油中的銅元素含量在0～1000 mg/kg的范圍內(nèi)，試驗溫度為(150±1)℃，空氣流量為(85±5)mL/min，依據(jù)正戊烷不溶物的表征，銅元素對試驗油的熱氧化安定性作用沒有影響。